CN103686996A - 一种陆基导航定位信号的提供方法、定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陆基导航定位信号的提供方法，应用于陆基导航定位系统中，所述系统包括至少四个与用户终端通信的基站，每个基站执行以下步骤：确定本基站和与本基站相对应的卫星之间的信号延迟；根据信号延迟，模拟卫星到达本基站时的数字中频信号；对数字中频信号进行数模转换及混频处理后发射出去，供用户终端进行定位解算。通过将基站发射的信号延迟到卫星高度，再将延迟后的信号发送给用户终端，这样终端接收到的信号类似于卫星高度发射的信号，解决了现有技术中由于基站和用户之间的传播延迟非常小和基站分布不均，造成的不利于高精度定位的问题。

Description

一种陆基导航定位信号的提供方法、定位方法及系统

技术领域

本申请涉及定位系统技术领域，更具体地说，涉及一种陆基导航定位信号的提供方法、定位方法及系统。

背景技术

现有陆基导航定位系统中，一般采用伪随机码测距或载波相位测距进行TOA、TDOA定位，需要架设4台或4台以上的发射基站作为定位解算的基准信号，并且需要精准的测量信号传播过程中的延迟，以建立定位解算方程。然而，相比于导航卫星定位，基站发射的定位信号到达用户终端时的传播延迟非常小且基站分布不合理，不利于用户的高精度定位。因此，急需一种陆基导航定位信号的提供方案，为进一步提高陆基导航定位系统的定位精度提供基础。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种陆基导航定位信号的提供方法、定位方法及系统，通过将基站发射的信号延迟到卫星高度，增大了定位信号的传播延迟，减少了基站分布不合理性，提高了定位精度。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种陆基导航定位信号的提供方法，应用于陆基导航定位系统中，所述系统包括至少四个与用户终端通信的基站，每个所述基站执行以下步骤：

确定本基站和与所述本基站相对应的卫星之间的信号延迟；

根据所述信号延迟，模拟所述卫星到达所述本基站时的数字中频信号；

对所述数字中频信号进行数模转换，获得模拟中频信号；

对所述模拟中频信号进行混频处理，获得一个带有模拟中频信号信息的高频信号；

发射所述高频信号，所述高频信号用于供用户终端进行定位解算。

优选地，在所述发射所述高频信号之前还包括：调整所述高频信号的信号强度。

优选地，所述对所述模拟中频信号进行混频处理为：将所述模拟中频信号与高频本振信号相乘，得到一个与所述卫星的信号频点相同的高频信号。

优选地，所述确定本基站和与所述本基站相对应的卫星之间的信号延迟具体为：

确定所述本基站的三维坐标，以及根据所述卫星星历确定某一时刻所述卫星的三维坐标；

根据所述本基站的三维坐标和所述卫星的三维坐标，确定某一时刻所述卫星发射的信号到达所述本基站的信号延迟。

优选地，所述根据所述信号延迟，模拟所述卫星到达所述本基站时的数字中频信号具体为：

设定时间间隔t，每隔一个所述时间间隔t确定一个所述信号延迟，根据两个连续的所述信号延迟确定一个相对速度，所述相对速度为所述卫星相对于所述本基站的速度；

根据每个所述相对速度，实时产生一个数字中频信号。

优选地，所述卫星为：GPS卫星、北斗卫星、GLONASS卫星或伽利略卫星。

一种陆基导航定位方法，应用于陆基导航定位系统中，所述系统包括至少四个与用户终端通信的基站，包括：

接收各个基站发送的高频信号，所述高频信号为权利要求1-X中任意一项所述的高频信号；

利用信号到达时间TOA算法或信号到达时间差TDOA算法对多个所述高频信号进行定位计算，获得所述用户终端当前位置的经度、纬度和高度。

优选地，还包括：利用气压高度计或地磁测高法对所述用户终端当前位置的高度进行测量，得到第二高度；

用所述第二高度替换所述高度，将所述第二高度确定为所述用户终端当前位置的标准高度。

一种陆基导航定位系统，包括至少四个与用户终端通信的基站，其中每个所述基站包括：信号延迟确定单元，用于计算本基站和与本基站相对应的卫星之间的信号延迟；

数字中频信号生成单元，用于根据所述信号延迟，模拟所述卫星到达所述本基站时的数字中频信号；

数模转换单元，用于对所述数字中频信号进行数模转换，获得模拟中频信号；

混频单元，用于将所述模拟中频信号与高频本振信号相乘，获得一个与所述卫星的信号频点相同的高频信号；

信号发送单元，用于发射所述高频信号；

其中所述用户终端包括：信号接收单元，用于接收所述高频信号并将其下变频至可处理的中频信号；

信号处理单元，用于将所述中频信号中有用信息提取，进行定位解算。

优选地，每个所述基站还包括：信号强度调节单元，用于调整所述高频信号的信号强度。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开的陆基导航定位信号的提供方法，每个基站首先确定出与本基站对应的卫星到达本基站的信号延迟，进而根据该信号延迟模拟出卫星到达本基站时的数字中频信号，对该信号进行数模转换以及混频处理后发射出去，供用户终端进行定位解算。本申请通过将基站发射的信号延迟到卫星高度，再将延迟后的信号发送给用户终端，这样终端接收到的信号类似于卫星高度发射的信号，解决了现有技术中由于基站和用户之间的传播延迟非常小和基站几何分布不合理，不利于高精度的定位的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例公开的一种陆基导航定位信号的提供方法流程图；

图2为本申请实施例公开的又一种陆基导航定位信号的提供方法流程图；

图3为本申请实施例公开的一种陆基导航定位方法流程图；

图4为本申请实施例公开的TOA定位方法原理图；

图5为本申请实施例公开的一种陆基导航定位系统结构图；

图6为本申请实施例公开的基站结构图；

图7为本申请实施例公开的用户终端结构图；

图8为本申请实施例公开的另一种基站结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

参见图1，图1为本申请实施例公开的一种陆基导航定位信号的提供方法流程图。

本实施例公开的陆基导航定位方法，应用于陆基导航定位系统中，该陆基导航定位系统至少包括四个与用户终端进行通讯的基站。其中每一个基站都执行如下步骤，如图1所示：

步骤101：确定本基站和与本基站相对应的卫星之间的信号延迟；

具体地，基站的位置我们可以预先选定。然后，我们可以指定某一个卫星导航系统中的几颗卫星为本实施例中与基站相对应的卫星。需要说明的是，这里我们所说的与本基站相对应的卫星并不是真实存在的，其是虚拟的一颗或多颗卫星。我们可以把虚拟卫星看成高度与指定的真实卫星相同，信号体制完全相同的一颗或多颗虚拟卫星。我们将基站发射的定位信号延迟到虚拟卫星高度，然后发射这个延迟后的定位信号。这就好比将基站延伸到虚拟卫星高度，也就是导航卫星高度。基站与虚拟卫星的对应关系可以是一对一或者一对多的形式，一对多的情况，每颗虚拟卫星与基站的对应关系参照一对一的情况即可。一对多的情况只是给基站提供了多个不同的选择，即可以将定位信号延迟到不同的高度。

由于虚拟卫星位置和真实的导航卫星的高度相同，二者的信号体制和电文格式也与现有的导航卫星（如GPS卫星）相同，因此可以根据设定的卫星轨道参数，来计算出卫星发射的信号到达本基站时的信号延迟。

步骤102：根据所述信号延迟，模拟所述卫星到达所述本基站时的数字中频信号；

具体地，卫星发射的信号到达本基站时会存在一个信号延迟，基站可以根据这个信号延迟，模拟出卫星到达本基站时的数字中频信号。

步骤103：对所述数字中频信号进行数模转换，获得模拟中频信号；

具体地，数字信号是无法传播的，我们需要将数字中频信号转换成模拟中频信号，只有模拟信号才能在空中传播。

步骤104：对所述模拟中频信号进行混频处理，获得一个带有模拟中频信号信息的高频信号；

具体地，对于混频处理过程，我们可以将模拟中频信号与一个高频本振信号相乘，从而获得一个携带有模拟中频信号信息的高频信号。具体地，选用哪种高频本振信号，需要根据我们指定的导航卫星的信号频点来确定。举例来说，我们选用的是GPS卫星，由于其信号频点为1575.42MHz，因此对模拟中频信号进行混频处理后，我们需要获得的高频信号的频点也必须是1575.42MHz。因为只有符合这个信号频点的信号才能够被对应的接收终端所识别。也就是说，混频处理的过程，其实质就是一个匹配的过程。

步骤105：发射所述高频信号，所述高频信号用于供用户终端进行定位解算。

具体地，每个基站发射高频信号时，必须做到时间同步。基站之间可以通过以太网、光纤、WIFI等各种有线或无线信号传输方式形成测控链路，完成基站之间的时间同步、以及信号开关、功率调整、频率调整等各项控制操作。

本实施例中，每个基站首先确定出与本基站对应的卫星到达本基站的信号延迟，进而根据该信号延迟模拟出卫星到达本基站时的数字中频信号，对该信号进行数模转换以及混频处理后发射出去，供用户终端进行定位解算。通过将基站发射的信号延迟到卫星高度，再将延迟后的信号发送给用户终端，这样终端接收到的信号类似于卫星高度发射的信号，解决了现有技术中由于基站和用户之间的传播延迟非常小和基站几何分布不合理，造成的不利于高精度定位的问题。

并且，针对室内或其它导航卫星信号覆盖不到的地方通过架设四台或四台以上的信号基站，将每台基站对外发射的信号延迟至导航卫星位置附近，也就是人为制造出若干虚拟导航卫星信号，用户终端可以使用普通的商用导航卫星接收机实现室内外精确定位。同时由于生成的定位信号与室外导航卫星信号体制相同，因此可实现室内外定位信号互不干扰接收，无缝定位。

需要说明的是，在步骤101中，我们指定某一个卫星导航系统中的几颗卫星为本实施例中与基站相对应的卫星，这里卫星导航系统可以选用常见的GPS卫星、北斗卫星、GLONASS卫星或伽利略卫星等现有的导航卫星。对应的我们生成的定位信号也必须调制到与选用的卫星相同的信号频点。通过合理的调整虚拟卫星的轨道参数，可以降低定位误差。除此之外，我们还可以自己定义一套专有系统，其调制方式、扩频码、电文结构和频点都是可以调整的。对应于这套系统，我们也必须选用配套的终端来接收定位信号并进行定位解算。

实施例2

参见图2，图2为本申请实施例公开的又一种陆基导航定位信号的提供方法流程图。

如图2所示，本实施例的步骤201、202、203、204、206与上一实施例的步骤101-105分别相同，本实施例在上一实施例的步骤104和步骤105之间，增加了步骤205：调整所述高频信号的信号强度。

具体地，调整高频信号的信号强度，可以使得定位信号的覆盖面积更加广阔，更多的用户可以接收到该定位信号并进行定位解算。

实施例3

上述确定本基站与对应的卫星之间的信号延迟过程和模拟生成数字中频信号的过程具体如下：

首先，我们已知发射基站的三维坐标和卫星的星历数据，其中卫星星历数据是一组参数，可以固定写在信号发射机的程序中，或通过其它方式（有线连接、无线连接）导入信号发射机。我们可以通过一定算法，根据卫星星历计算出当前时刻下卫星所处的三维坐标。

通过基站的三维坐标和当前时刻下卫星的三维坐标，可以获得当前时刻卫星信号到达基站之间的直线距离，即信号传播延迟，进而获得当前时刻卫星信号到达基站时刻的载波相位、伪随机码相位信息。以正弦信号为例：这些信息可以理解为信号的初始值，比如正弦信号开始从哪个相位值开始传播。

由于卫星是运动的，不同的时间点卫星信号到达发射基站之间的距离是不相同的。设定时间间隔为t（t是人为摄动的，可以是4ms、5ms等），可以每隔时间间隔t确定一次卫星信号到达基站的信号延迟，根据连续的两个信号延迟即可确定一个相对速度值，该相对速度值是卫星相对于基站的速度。以正弦信号为例：这个相对速度可以理解为正弦信号在时间间隔t内的频率变化，通过连续的计算卫星与用户的相对速度即可实时的产生一个带有频率变化的数字中频信号。

实施例4

本实施例公开了一种陆基导航定位方法，应用于陆基导航定位系统中，该系统包括至少四个与用户终端通信的基站。以下是站在用户终端的角度来叙述该定位方法的。

参见图3，图3为本申请实施例公开的一种陆基导航定位方法流程图。

如图3所示，该方法包括：

步骤301：接收各个基站发送的高频信号；

具体地，这里接收的高频信号为上述实施例中基站最终发射的定位信号即高频信号。

步骤302：对接收到的多个高频信号进行下变频、信号处理、定位解算，获得用户终端当前的位置参数。

本实施例中，用户终端使用普通的商用卫星导航接收机即可接收该定位信号。并且，终端接收到该定位信号，测量出的用户终端到卫星的距离由两部分组成：虚拟导航卫星到基站之间的距离和基站到用户终端的距离。因此，解决了基站到用户终端的距离太短，信号延迟太小，而造成的定位精度不高问题。而且，可以实现商用导航接收机在室内外无缝导航定位。

需要说明的是，在进行定位计算时，我们可以选用信号到达时间TOA（Time Of Arrive）算法或者选用信号到达时间差TDOA(Time Difference OfArrive)算法。TOA和TDOA都是基于信号传播时间的定位方法。下面我们对TOA算法做详细解释，以便读者更加深入的了解技术方案。

所谓TOA定位就是测量出四个（或四个以上）基站与用户终端之间的信号传播时间，从而得到四个（或四个以上）基站到达用户终端的估计值，以基站为圆心，到用户终端的距离为半径画圆，多个圆的交点就是用户终端的估计位置。其定位原理如图4所示，图4为本申请实施例公开的TOA定位方法原理图。

其中，B1、B2、B3代表基站，MS代表用户终端，ρ1、ρ2、ρ3分别表示基站B1、B2、B3到用户终端MS的距离。三台基站B1、B2、B3同时发送信号，由于信号到达MS处的传播距离不同，MS处接收到的三台基站B1、B2、B3发射的信号其相位也各不相同，MS通过测量三个不同的相位即可得出B1、B2、B3到达MS处的距离。由于B1、B2、B3的坐标已知，因此MS的位置也可以确定下来。建立以下方程，实现定位：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(B_{1x}-U_x)}^2+{(B_{1y}-U_y)}^2+{(B_{1z}-U_z)}^2}={\mathrm{\ρ}}_1\\ \sqrt{{(B_{2x}-U_x)}^2+{(B_{2y}-U_y)}^2+{(B_{2z}-U_z)}^2}={\mathrm{\ρ}}_2\\ \sqrt{{(B_{3x}-U_x)}^2+{(B_{3y}-U_y)}^2+{(B_{3z}-U_z)}^2}={\mathrm{\ρ}}_3\end{array}\right.$

式中，(B_1x,B_1y,B_1z)、(B_2x,B_2y,B_2z)、(B_3x,B_3y,B_3z)分别为B1、B2、B3处的三维坐标，（ρ1、ρ2、ρ3）分别为B1、B2、B3到达MS处的传播延迟距离，(U_x,U_y,U_z)为MS处的三维坐标。

由于MS处本地时间与基站B1、B2、B3处时间不同步，导致测量的延迟时间存在一个固定偏差，因此增加一个未知数Δt。这样就会存在四个未知数，因此需要四个方程才能解算出MS的三维坐标。如下式：

式中，(B_nx,B_ny,B_nz)为B_n处的三维坐标n>=4，通过最小二乘等数学方法求解上面方程，实现MS处坐标求解(U_x,U_y,U_z)和本地时间校正Δt。

上面方程求解的精度与基站的分布和基站多少有关。

另外，当虚拟卫星、基站和用户终端不处于一条直线上的时候，测量距离会出现误差，这样用户进行TOA定位时会造成定位误差变大。为了解决这种问题，我们可以对卫星轨道进行合理分布，使用户终端再二维平面（经度、纬度）上误差减小，高度上的误差我们可以通过气压高度计或地磁测高法来辅助测量高度，并且将气压高度计或地磁测高法测量得出的第二高度值代替TOA算法测量得出的高度值，以第二高度值为用户终端的最终标准高度值。因此，用户终端的三维坐标分别为：TOA算法得出的经度值和纬度值、气压高度计或地测测高法得出的第二高度值。

实施例5

本实施例公开一种陆基导航定位系统，该系统包括至少四个与用户终端进行通信的基站。此处我们以四个基站为例，如图5所示，图5为本申请实施例公开的一种陆基导航定位系统结构图。图5中四个基站之间通过测控链路相连，用于完成基站之间时间同步以及信号开关、功率调整、频率调整等各项控制操作。

其中，如图6所示，每个基站1又可以包括：

信号延迟确定单元11，用于计算本基站和与本基站相对应的卫星之间的信号延迟；

数字中频信号生成单元12，用于根据所述信号延迟，模拟所述卫星到达所述本基站时的数字中频信号；

数模转换单元13，用于对所述数字中频信号进行数模转换，获得模拟中频信号；

混频单元14，用于将所述模拟中频信号与高频本振信号相乘，获得一个与所述卫星的信号频点相同的高频信号；

信号发送单元15，用于发射所述高频信号。

参见图7，图7为本申请实施例公开的用户终端结构图。

其中用户终端2又可以包括：

信号接收单元21，用于接收所述高频信号并将其下变频至可处理的中频信号；

信号处理单元22，用于将所述中频信号中有用信息提取，进行定位解算。

本实施例公开的陆基导航定位系统，每个基站1中的信号延迟确定单元11首先确定出与本基站对应的卫星到达本基站的信号延迟，进而由数字中频信号生成单元12根据该信号延迟模拟出卫星到达本基站时的数字中频信号，再由数模转换单元13对该信号进行数模转换，以及混频单元14混频处理后由发送单元15发射出去，供用户终端2进行定位解算。本实施例通过将基站发射的信号延迟到卫星高度，再将延迟后的信号发送给用户终端，这样终端接收到的信号类似于卫星高度发射的信号，解决了现有技术中由于基站和用户之间的传播延迟非常小和基站几何分布不合理，造成的不利于高精度的定位的问题。

实施例6

参见图8，图8为本申请实施例公开的另一种基站结构图。

在上一实施例的基础上，本实施例在基站1中进一步增加了信号强度调节单元16，与混频单元14和信号发射单元15相连，用于调整所述高频信号的信号强度。

具体地，通过信号强度调节单元16调整高频信号的信号强度，可以使得定位信号的覆盖面积更加广阔，更多的用户可以接收到该定位信号并进行定位计算。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种陆基导航定位信号的提供方法，应用于陆基导航定位系统中，所述系统包括至少四个与用户终端通信的基站，其特征在于，每个所述基站执行以下步骤：

确定本基站和与所述本基站相对应的卫星之间的信号延迟；

根据所述信号延迟，模拟所述卫星到达所述本基站时的数字中频信号；

对所述数字中频信号进行数模转换，获得模拟中频信号；

对所述模拟中频信号进行混频处理，获得一个带有模拟中频信号信息的高频信号；

发射所述高频信号，所述高频信号用于供用户终端进行定位解算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述发射所述高频信号之前还包括：调整所述高频信号的信号强度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述模拟中频信号进行混频处理为：将所述模拟中频信号与高频本振信号相乘，得到一个与所述卫星的信号频点相同的高频信号。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述确定本基站和与所述本基站相对应的卫星之间的信号延迟具体为：

确定所述本基站的三维坐标，以及根据所述卫星星历确定某一时刻所述卫星的三维坐标；

根据所述本基站的三维坐标和所述卫星的三维坐标，确定某一时刻所述卫星发射的信号到达所述本基站的信号延迟。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述信号延迟，模拟所述卫星到达所述本基站时的数字中频信号具体为：

设定时间间隔t，每隔一个所述时间间隔t确定一个所述信号延迟，根据两个连续的所述信号延迟确定一个相对速度，所述相对速度为所述卫星相对于所述本基站的速度；

根据每个所述相对速度，实时产生一个数字中频信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星为：GPS卫星、北斗卫星、GLONASS卫星或伽利略卫星。

7.一种陆基导航定位方法，应用于陆基导航定位系统中，所述系统包括至少四个与用户终端通信的基站，其特征在于，包括：

接收各个基站发送的高频信号，所述高频信号为权利要求1-X中任意一项所述的高频信号；

利用信号到达时间TOA算法或信号到达时间差TDOA算法对多个所述高频信号进行定位计算，获得所述用户终端当前位置的经度、纬度和高度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：利用气压高度计或地磁测高法对所述用户终端当前位置的高度进行测量，得到第二高度；

用所述第二高度替换所述高度，将所述第二高度确定为所述用户终端当前位置的标准高度。

9.一种陆基导航定位系统，包括至少四个与用户终端通信的基站，其特征在于，

其中每个所述基站包括：信号延迟确定单元，用于计算本基站和与本基站相对应的卫星之间的信号延迟；

数字中频信号生成单元，用于根据所述信号延迟，模拟所述卫星到达所述本基站时的数字中频信号；

数模转换单元，用于对所述数字中频信号进行数模转换，获得模拟中频信号；

混频单元，用于将所述模拟中频信号与高频本振信号相乘，获得一个与所述卫星的信号频点相同的高频信号；

信号发送单元，用于发射所述高频信号；

其中所述用户终端包括：信号接收单元，用于接收所述高频信号并将其下变频至可处理的中频信号；

信号处理单元，用于将所述中频信号中有用信息提取，进行定位解算。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，每个所述基站还包括：信号强度调节单元，用于调整所述高频信号的信号强度。

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